Fusion

Fusion er i fysik en process, hvor to atomkerner samles til én kerne. Denne process afgiver en betydelig mængde energi, for alle stoffer lettere end jern. Men fusionsprocessen kræver også en høj energi for at kunne foregå.

Fusionsenergi er resultatet af udvekslingen mellem den elektrostatiske kraft, som får ladede partikler til at frastøde hinanden, og den stærke kernekraft som holder atomkerner sammen. Protoner er positivt ladede, så når to protoner nærmer sig hinanden vil den elektrostatiske kraft få dem til at frastøde hinanden. Den stærke kernekraft virker kun på meget korte afstande, så protoner har brug for en meget høj energi for at kunne komme tæt nok på hinanden, så de kan bindes sammen af den stærke kernekraft.

Den stærke kernekraft er langt kraftigere end den elektrostatiske kraft, så når kernerne fusionerer afgiver de en energi. Vi kalder denne energi for bindingsenergien, og det er den samme energi der skal til for at splitte kernen igen.

Atomkerner består af proton og neutroner. Da neutroner ikke har en ladning har den elektrostatiske kraft ikke en virkning på dem. Der skal en vis energi til at holde to protoner sammen. Når to protoner kommer tæt nok på hinanden så den stærke kernekraft virker, bliver de bundet af en så stærk energi at den overstiger den energi der skal til for at holde en kerne med to protoner sammen. Altså to protoner har hver for sig en bindingsenergi. Men når de samles og bliver til en helium kerne (som har to protoner) kræves der en bindingsenergi, som er mindre end summen af de to protoner hver for sig.

En anden måde at forstå det på er ved Einstiens masse-energi-ækvivalensprincip E = m · c2. Summen af massen af to protoner er større end massen af en helium kerne. Derfor vil den resterende masse blive omdannet til energi. Og som einsteins ligning viser skal der ikke meget masse til at skabe meget stor energi.

Fusion eller kernefusion er den process, der får solen til at brænde og give os sollys. Inde i solen fusioneres 4 hydrogen kerner til en helium kerne.

4 \; ^{1}\text{H} \rightarrow \; {}^4\text{He} + 2 \; e^+ + 2 \nu + \varepsilon

Fire brint atomer smelter sammen til et heliumatom. I denne process afgiver fusionen 2 positroner (e+), to neutroner ν og energien ε. Energien er i denne process 26,7 megaelektronvolt.

Der findes mange andre processer hvor fusion kan forekomme. Alle kerner lettere end jern, altså med et lavere atomnummer, vil frigøre energi når de fusionerer, mens alle tungere kerner vil absorbere energi. Dette skyldes at bindingsenergien falder for de tungere kerner.

Fusionsenergi

Den atomkraft vi bruger i dag og som vi kender fra atomkraftværker, virker ved brug af fission. Fusion og fission er hinandens modsatte mekanismer. I fission splittes atomkerner i stedet for at blive bundet. Vi har endnu ikke teknologien til at kunne kontrollere en fusionsprocess da den, for at være effektiv nok, skal foregå ved ekstremt høje temperaturer på op til en milliard grader celsius.

Fordelen ved fusionsenergi er at der ikke er noget affaldsprodukt, og at der bliver ikke brugt radioaktive stoffer. Så fusionsenergi er en potentiel ren energikilde.

Eksempel

Vi forestiller os at vi vil skabe en lille miniature sol i et laboratorium. Vores miniature sol får et rumfang på 1 kubikcentimeter, hvilket svarer til en kugle med en diameter på 1,24 centimeter.

Solens kerne har en densitet på 150 g per cm3. Hvis vi forestiller os at de 150 gram består kun af hydrogen atomer, og vi bruger vægten af et hydrogen atom, kan vi finde mængden af hydrogen atomer. Vægten af et hydrogen atom er 1,67Â · 10-24 g.

\frac{150 g}{1,67 \cdot 10^{-24} g} = 8,96 \cdot 10^{25}

Lad os altså forestille os at vi får 8,96Â · 1025 hydrogen atomer ind i vores lille sol, og vi sætter fusionsprocessen i gang. Fusion virker kraftigere jo højere temperaturen er, så vi kan indstille solens effekt ved at ændre på temperaturen.

Vi vil nu udregne hvor meget energi, vi samlet kan få ud af vores sol. Vi har altså 8,96Â · 1025 hydrogen atomer og det tager 4 hydrogen for hver fusion, og hver fusion giver energien 26,7 MeV.

\frac{8,96 \cdot 10^{25}}{4} \cdot 26,7 \;\text{MeV} = 2,24 \cdot 10^{25} \cdot 26,7 \;\text{MeV} = 5,98 \cdot 10^{26} \;\text{MeV}

For at vi kan forestille os hvor meget energi dette svarer til, beregner vi hvor mange elpærer vi kan få til at lyse uafbrudt i et år med denne energi. En 100 watt pærer bruger, fra definitionen af en watt, 100 joule per sekund, hvilket er 6,24Â · 1020 eV.

Der er 60Â · 60Â · 24Â · 365 sekunder i et år. Altså:

\frac{5,98 \cdot 10^{32} \;\text{eV}}{60 \cdot 60 \cdot 24 \cdot 365 \cdot 6.24\cdot10^{20} eV} = \frac{5,98 \cdot 10^{32} \;\text{eV}}{1,97\cdot10^{28} eV} = 30411,79

Vores lille sol har altså nok energi til at lade over 30.000 100 watts pærer brænde uafbrudt i et år.